基于延性破坏准则的再生混凝土柱抗震性能研究

成勇龙,付 国,张爱军,张 博

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100)

0 引言

再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete,简称“再生混凝土”)作为一种绿色环保建材,能够有效减少废弃混凝土排放,减轻环境负荷,促进资源循环利用,受到国内外学者的广泛关注[1-5],再生混凝土结构的抗震性能已逐渐成为了学术界和工程界的热点研究方向[6]。白国良等[2]、尹海鹏等[7]、王社良等[8,10-11]和李晓芳等[9]完成了再生混凝土柱的拟静力试验,结果表明:随着再生骨料取代率增加,试件初始刚度、承载力和滞回耗能均呈下降趋势,但未能阐明再生骨料取代率与再生混凝土柱抗震性能之间的量化关系;SARIBAS等[3]、FAN等[12]和MA等[13]研究了再生骨料掺量对抗震性能退化的影响规律,结果表明:再生混凝土柱和普通混凝土柱的破坏过程及性能退化规律基本类似。现有研究多根据模型试验结果和滞回曲线、骨架曲线对再生混凝土柱抗震性能进行定性分析,而抗震性能量化和破坏准则研究等方面开展还很不充分,开展再生混凝土柱破坏准则研究对再生混凝土结构震后损伤破坏评估及工程抗震加固具有十分重要的意义。

破坏准则能够准确定义和量化结构或构件的破坏程度[14],单参数破坏准则仅选取单一破坏指标不足以全面反映结构地震破坏规律和性能退化机理;Park-Ang双参数破坏准则考虑了最大变形与累积滞回耗能对破坏的影响[15],在抗震性能量化研究中获得广泛应用;延性破坏准则充分考虑了变形能力强弱对破坏的影响[16],能较好地评估钢筋混凝土柱在地震作用下的破坏程度。开展再生混凝土柱的破坏准则研究和分析再生骨料掺量变化导致的结构抗震性能退化差异现象,能够更好地反映再生混凝土柱的破坏机理,从而建立合理的可应用于工程实践的再生混凝土柱性能评价标准。

鉴于此,本文基于已有试验数据验证了Park-Ang双参数破坏准则和延性破坏准则评估再生混凝土柱破坏的合理性;对再生混凝土柱的性能退化规律进行研究,重点分析再生骨料取代率、再生混凝土强度与破坏指数的关系,给出了考虑骨料取代率影响的再生混凝土柱破坏准则计算式。通过统计不同破坏程度下再生混凝土柱的破坏指数分布,建立再生混凝土柱的破坏量化标准,研究成果可为再生混凝土柱的抗震性能研究提供参考。

1 再生骨料混凝土柱破坏指数对比

1.1 模型试验

对国内外学者完成的63根再生混凝土柱拟静力试验数据进行了计算分析,试件编号、再生骨料替代率和混凝土强度见表1,模型详细信息及加载制度见对应文献,再生骨料来源包括废弃建筑和废弃路基等,基体混凝土(指加工成再生粗骨料的原始混凝土)强度略大于对应再生混凝土设计强度。

表1 试件基本参数Table 1 Basic parameters of specimen

1.2 Park-Ang双参数破坏准则和延性破坏准则

Park-Ang破坏准则定义结构的破坏由变形和累积耗能的共同作用引起[15],较好地考虑了首超破坏和累积损伤的影响,其数学表达式如下:

(1)

β=(-0.447+0.073λ+0.24n+0.314ρt)0.7ρω

(2)

式中:D为钢筋混凝土柱的破坏指数,δm为加载过程中的最大变形,δu为单调加载下的极限变形,由文献[17]建议公式计算得出,ʃdE为累积塑性耗能,Qy为屈服强度,β为组合系数,n为轴压比,ρt为纵筋配筋率,ρω为体积配箍率。

延性破坏准则考虑了不同变形能力钢筋混凝土柱抗震性能的差异[16],较好地解释了轴压比、配箍率和加载制度对混凝土柱破坏的影响规律,其计算式如下:

(3)

式中:μi为第i个加载幅值对应的延性系数,βi为μi对应的加载循环次数,μmax为单调加载下的延性系数,μmax=δu/δy,δy为钢筋混凝土柱屈服位移。

1.3 破坏指数计算结果

由于再生骨料内部原始损伤以及新、老砂浆过渡区的影响,再生混凝土柱的延性、耗能能力和抗震性能较普通混凝土柱均有所降低[7, 26],但再生混凝土柱的破坏过程和性能退化规律与普通混凝土柱基本类似[27]。对表1中试件分别进行了Park准则和延性准则计算研究,破坏指数计算结果如图1所示。

图1 延性破坏准则与Park-Ang准则计算结果对比Fig. 1 Comparison between ductility failure criterionand Park-Ang criterion

由Park-Ang双参数破坏准则计算得出的破坏指数DPark平均值2.219,标准差为0.663,高估了再生混凝土柱的破坏程度,计算结果表明由式(2)得出的组合参数β偏大,高估了再生混凝土柱滞回耗能对构件破坏的影响。根据文献[28-29]研究成果,定义组合参数定值为0.05,调整后的Park-Ang破坏准则(β=0.05)计算结果如图2所示,破坏指数DPark,0.05平均值1.065,标准差0.230,能够较好地定义再生混凝土柱的破坏。

图2 调整组合参数β后Park-Ang准则计算结果Fig. 2 Calculation results of Park-Ang criterion after adjusting the combination parameter β

由延性破坏准则计算得出的破坏指数D延平均值为0.916,标准差为0.342,延性破坏准则可以更好地实现再生混凝土柱的破坏量化研究。进一步研究表明柱承载力退化程度越大,破坏指数也越大,根据承载力退化幅值对最终破坏指数重新进行了计算。

当加载至破坏极限状态时,41根再生混凝土柱承载力退化至峰值荷载的85%,15根柱承载力退化幅值未超过10%,7根柱承载力退化幅值超过20%。图3是63根再生混凝土柱的承载力退化幅值统计图,参考文献[16]计算结果,定义承载力退化程度与承载力下降至峰值荷载85%时的破坏指数满足式(4)。

图3 承载力退化幅值统计结果Fig. 3 Statistical results of carrying capacity degradation amplitude

(4)

式中:d为承载力退化值,d=Pu/Pmax,Pu为极限荷载,Pmax为峰值荷载,D0.85为承载力退化至峰值荷载85%时结构的破坏指数。

按式(4)对承载力退化幅值小于10%和承载力退化幅值超过20%的部分再生混凝土柱破坏指数进行了计算,结果见表2。

表2 承载力退化幅值对破坏指数影响Table 2 Influence of carrying capacity degradation amplitude on the failure index

未考虑承载力退化的延性准则破坏指数平均值0.884,标准差0.399;统一承载力退化幅值后延性准则破坏指数平均值0.882,标准差0.365,承载力退化对延性破坏准则计算结果整体影响较小。但由表2可以看出:对部分试件,承载力退化对延性破坏准则评估再生混凝土柱破坏的影响不能忽略,统一承载力标准后的延性破坏准则更为合理,可避免因为不同组试验承载力退化大小不统一导致计算结果离散性偏大。

2 改进延性破坏准则

2.1 再生骨料掺量与混凝土柱破坏关系分析

同天然骨料相比,再生骨料性能离散性和变异性、掺量多少对混凝土性能影响更为显著[27],图4是仅骨料取代率不同时再生混凝土柱的破坏曲线,其中黑、红和蓝分别对应再生骨料取代率为0、50%和100%时的破坏曲线。由图4可知:随着再生骨料掺量增加,再生混凝土柱破坏指数先变小后增大,表明再生骨料掺量的多少会对再生混凝土柱抗震性能产生不同影响。

注:(RCZ-3)-100-31.97表示:(试件编号)-再生骨料替代率/%-混凝土立方体抗压强度平均值/MPa。

为了进一步研究再生骨料取代率对混凝土柱破坏的影响规律,将再生骨料取代率与混凝土强度、混凝土强度与破坏指数的关系曲线分布绘于图5。

图5 再生骨料取代率对混凝土柱破坏的影响规律Fig. 5 Influence of replacement rate of recycled aggregate on failure of concrete columns

考虑不同试验组再生骨料来源不同,试验方法和试件参数等均存在差异,分别计算再生骨料强度对应不同再生骨料取代率时的强度退化百分比,并对相同再生骨料取代率的不同试验组混凝土强度退化值与破坏指数取平均值,减少初始混凝土强度和骨料取代率等离散性较高对计算结果的影响,使结论更合理。由图5及不同试验组混凝土强度退化百分比计算结果可知:随着再生骨料取代率的增加,再生混凝土强度总体呈下降趋势,两者之间近似为线性关系;当再生骨料掺量低于30%时,对混凝土强度影响较小;当再生粗骨料取代率为100%时,混凝土强度约下降15%～25%,与文献[30-32]研究结果基本吻合。再生混凝土柱破坏程度随再生骨料掺量增加呈先减弱后增强的趋势,对应破坏指数先下降后上升。再生混凝土柱抗震性能随骨料取代率的增加存在一个逐渐增强到劣化的过程,主要原因如下:

1) 普通混凝土骨料与砂浆弹性模量相差较大,在浆-骨界面容易产生微裂缝形成薄弱面[33],而再生骨料表面包裹着水泥砂浆,新旧砂浆弹性模量相差不大,界面结合得到增强[34];再生骨料表面存在较多微裂缝,吸入新的水泥颗粒后接触面增大、水化程度更充分,从而形成致密的界面结构,促使界面结合进一步加强[35],对改善再生混凝土性能具有一定帮助。

2) 同天然骨料相比,再生骨料的表面粗糙,棱角较多,与新水泥浆体的界面啮合力更强[36],与钢筋的摩阻力和机械咬合力更大,再生混凝土的粘聚性得到增强;而且再生骨料吸水率较大,能够更好地吸收新拌浆体的多余水分,降低粗集料表面水灰比和再生混凝土有效水灰比,使得界面粘结性能增强[33]。

3) 当再生骨料取代率较大时,再生混凝土与钢筋粘结性能有所削弱[37-39],骨料强度降低对再生混凝土性能劣化的影响不能忽视;再生混凝土内部界面过渡区、再生骨料初始损伤裂纹和骨料内部原始缺陷数量显著增加,严重影响再生混凝土的力学性能。

当取代率较低时,掺入再生骨料后对混凝土性能的劣化影响程度较小,界面结合增强和粘结强度提高等性能优化因素占主导,总体表现为再生混凝土柱抗震性能提升,对应破坏指数减小;再生骨料取代率增加,骨料掺入对再生混凝土强度和力学性能劣化的影响居于主导地位,表现为再生混凝土柱抗震性能降低,对应破坏指数增大。

理论分析和破坏指数计算结果均表明:当再生骨料掺量在30%～50%范围时,再生混凝土柱抗震性能最好。选取再生混凝土强度退化率为变量,回归分析并得出破坏指数与再生混凝土强度退化值的量化关系,如式(5)和式(6):

(5)

(6)

式中:dfc为掺入再生骨料后混凝土强度退化百分比,fcu为混凝土立方体抗压强度,fcu,i为再生骨料取代率为i时对应混凝土立方体抗压强度,kfc为混凝土强度影响系数。

将式(5)带入式(3),得到考虑混凝土强度影响后的改进延性破坏准则计算如式(7)。

(7)

2.2 改进延性破坏准则计算验证

对因再生骨料取代率增加导致混凝土强度变化的30根柱试验结果进行了计算研究,由Park-Ang破坏准则、延性破坏准则和改进延性破坏准则(统一按承载力退化至峰值荷载85%为极限状态计算)计算得到的破坏指数见表3。

表3 破坏指数计算对比Table 3 Damage index calculation comparison

未考虑混凝土强度影响延性破坏准则破坏指数平均值0.879,标准差0.300,考虑混凝土强度影响的改进延性破坏准则破坏指数平均值0.983,标准差0.310,改进后的延性破坏准则可以更好的定义再生混凝土柱的破坏。表3中有几组构件掺入再生骨料后混凝土强度退化百分比为负值,这是因为不同再生混凝土构件再生骨料来源不同,基体混凝土的强度等级、服役年限和使用部位等都会对再生混凝土的性能产生影响[5,40],品质越好的再生混凝土,其表面附着旧砂浆与内部初始缺陷越少,抗压强度高于相同试验条件下的普通混凝土;此外,由于再生骨料吸水性较强,在混凝土拌合物初期再生骨料能大量吸收新拌水泥浆体中的多余水分,既降低了粗骨料表面水灰比,同时由降低了混凝土拌合物中的有效水灰比,这对增强界面粘结和提高水泥石强度均十分有利[36]。

2.3 改进延性破坏准则试验验证

选取已完成的8根缩尺比为1∶2的再生混凝土柱低周反复加载试验结果[41],进一步验证改进延性破坏准则评估再生混凝土柱破坏的合理性。所有构件的截面尺寸均为250 mm×250 mm,柱身高度1650 mm,其它详细参数见表4。

表4 试件基本信息及破坏指数计算结果对比Table 4 Comparison of calculation results of basic information and failure index of specimens

试验所用再生粗骨料来源于某服役15 a的五层框架结构拆除的废旧混凝土,基体混凝土强度为C30～C35。天然骨料采用人工碎石,细骨料采用级配良好的中粗河沙,试验采用陕西“秦岭”牌32.5R级普通硅酸盐水泥,各试验材料性能指标均满足规范要求。

对上述8根再生混凝土柱分别进行了延性破坏准则、Park-Ang破坏准则(β=0.05)和改进延性破坏准则的计算研究,破坏指数计算结果见表4,各试件滞回曲线及破坏曲线如图6所示。

图6 各试件滞回曲线与破坏曲线Fig. 6 Hysteresis curve and damage curve of each specimen

试验结果表明:再生骨料混凝土柱具有良好的耗能能力和抗震性能,经合理设计后可用于具体工程实际。当再生骨料取代率较低时,骨料掺入对混凝土柱破坏指数影响不大,随着再生骨料取代率的增加,混凝土强度逐渐降低,破坏指数有先降低后升高趋势,试验结果与本文规律吻合较好。

随着加载幅值的增加,混凝土柱的破坏程度和破坏速率逐渐加大,Park-Ang准则破坏曲线中段破坏速率较缓,前段与后段曲线增长速率较快;延性准则破坏曲线增长速率随加载循环数增加而加快,与试验现象吻合更好,较Park-Ang破坏准则可以更合理量化再生混凝土柱的破坏过程。破坏指数计算结果表明:改进延性准则破坏指数平均值为1.048,标准差为0.108,对各再生混凝土柱,改进延性准则破坏指数的计算结果更接近于1.0,与未改进延性破坏准则计算结果相比离散性更小。

3 再生混凝土柱性能水准

综合再生混凝土柱试验结果,参考《建(构)筑物地震破坏等级划分》(GB/T 24335-2009)[42],将再生混凝土柱破坏过程划分为4个阶段,分别为:

1)轻微破坏:柱身裂缝数量不断增加,混凝土有轻微剥落。

2)中等破坏:裂缝不断发育并形成几道贯通裂缝,柱脚出现细微竖向裂缝,混凝土保护层开始脱落。

3)严重破坏:主裂缝贯通柱身,柱脚混凝土压碎脱落,混凝土保护层脱落严重。

4)失效/倒塌:混凝土严重脱落,钢筋外露变形,承载力急剧下降。

考虑再生混凝土柱震损分级,综合延性破坏准则破坏指数计算结果,给出包含详细试验描述的22根再生混凝土柱在不同阶段临界点破坏指数,列于表6中。

表6 再生混凝土柱破坏特征点Table 6 Failure characteristic points of recycled concrete columns

参考国内外学者给出的普通混凝土柱破坏标准和延性破坏准则破坏指数统计结果[43],给出适用于再生混凝土柱的延性准则破坏评价标准见表7。

表7 延性准则破坏评价标准Table 7 Damage evaluation standard of ductility criterion

与普通混凝土柱破坏标准相比,由于再生混凝土内部损伤以及界面过渡区的影响,裂缝的发育程度更充分,轻微破坏和中等破坏对应破坏指数较普通混凝土柱偏小;在破坏阶段再生混凝土柱延性、滞回耗能和承载力等抗震性能指标均弱于普通混凝土柱,对应失效/倒塌破坏指数临界值低于普通混凝土柱的1.0。

4 结论

本文对再生骨料混凝土柱的抗震性能进行了量化研究,重点分析了再生骨料取代率、混凝土强度与混凝土柱破坏指数之间的量化关系,得到以下结论:

1) Park-Ang双参数破坏准则破坏指数平均值为2.219,标准差为0.663,其组合参数β高估了加载过程中耗能对再生混凝土柱损伤的贡献程度,且对应破坏曲线前期与后期增长较快,中期增长较为缓慢,不符合混凝土柱随加载幅值增大破坏程度和破坏速率逐渐加大的规律;当β取定值0.05时,对应破坏指数平均值为1.065,标准差为0.230,计算结果得到显著改善。

2) 延性破坏准则考虑了不同变形能力构件抗震性能的差异,较好地解释了轴压比、配箍率和加载制度对混凝土柱破坏的影响规律,对应破坏指数平均值为0.916,标准差为0.342,且对应破坏曲线前期增长较慢,中后期增长较快,与混凝土柱破坏过程吻合较好,可更好实现对再生混凝土柱倒塌破坏量化研究。

3) 随着再生骨料取代率的增加,混凝土强度逐渐降低,破坏指数呈先下降后上升的变化规律,改进后的延性破坏准则反映了混凝土强度与破坏指数的函数关系,解释了轴压比、配箍率和加载制度对混凝土柱破坏的影响规律,破坏指数计算结果更接近1.0,离散性更低。

4) 综合再生混凝土柱的试验现象与破坏指数分布规律,建议取破坏指数0.1、0.5和0.9分别为中等破坏、严重破坏和倒塌失效的临界值,该破坏标准较好地考虑了再生混凝土柱的破坏特点,可用于再生混凝土柱抗震性能量化与评估。